KR102386083B1 - 복수의 조종모드별 시운전 결과를 이용한 최적의 단일 조종유체력미계수 역추정 시스템 - Google Patents

복수의 조종모드별 시운전 결과를 이용한 최적의 단일 조종유체력미계수 역추정 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은, MIB의 조종성능평가를 위해 선박 선형의 기본제원에 따른 경험식 기반으로 산출된 추정 조종유체력미계수를 입력값으로 하여 조종운동방정식을 통해 복수의 조종모드별 제1조종성능정보를 도출하는, 조종시뮬레이션 모듈(110), 및 조종시뮬레이션 모듈(110)과 연동하여, 복수의 조종모드별 시운전 결과에 의한 제2조종성능정보와 제1조종성능정보 사이의 상대오차를 정의하는 스크립트에 의해 특정 오차범위를 충족하는 각 조종모드별 추정 조종유체력미계수 세트를 확보하고, 복수의 조종모드별 시운전 결과를 모두 추종하는 최적의 단일 조종유체력미계수를 역추정하는, 최적화 모듈(120)을 포함하여, 단일 선박 선형에 대응하는 최적의 단일 조종유체력미계수를 확보할 수 있는, 복수의 조종모드별 시운전 결과를 이용한 최적의 단일 조종유체력미계수 역추정 시스템을 개시한다.

Description

복수의 조종모드별 시운전 결과를 이용한 최적의 단일 조종유체력미계수 역추정 시스템{SYSTEM FOR REVERSELY EXTRAPOLATING OPTIMAL SINGLE MANEUVERING HYDRODYNAMIC DERIVATIVES BY USING THE SEA TRIAL TEST INFORMATION ACCORDING TO PLURAL MANEUVERING MODE}
본 발명은 시운전 결과에 의한 조종성능정보로부터 조종운동방정식의 조종유체력미계수를 역추정하여 복수의 조종모드별 시운전 결과를 모두 추종하는 최적의 단일 조종유체력미계수를 확보할 수 있는, 복수의 조종모드별 시운전 결과를 이용한 최적의 단일 조종유체력미계수 역추정 시스템에 관한 것이다.
국제해사기구의 IMO MSC137 선박의 조종성능정보가 수록된 MIB(Maneuvering Information Booklet)를 선주에게 제공하여야 하는데, MIB에 명시할 선박의 조종성능을 평가하기 위해 전통적으로는 시뮬레이션과 시운전이 각각 수행된다.
한편, 시뮬레이션에서는 경험식을 바탕으로 조종유체력미계수를 계산하고, 조종유체력미계수를 이용하여 조종운동방정식을 풀어서 선박의 조종성능을 평가한다.
하지만, 선박의 기본제원으로만 조종유체력미계수를 산출하기 때문에 선박의 형상과 시운전 상태를 정확히 반영하지 못하는 한계로 인해 시뮬레이션과 시운전 결과와의 괴리가 존재한다.
종래에는, 선주의 요청시 시운전 결과를 고려하여 시뮬레이션을 보정하는 작업을 진행하는데 시운전 결과와 시뮬레이션 결과에 상당한 차이가 발생할 경우에, 시뮬레이션에 적용하는 조종유체력미계수를 일일이 수작업으로 수정하여 시뮬레이션 결과가 시운전 결과를 유사하게 추종하도록 하고 있어서, 수작업으로 인한 인력과 비용이 상당히 투입되어야 하는 문제점이 있다.
이에, 시운전 결과와 시뮬레이션 결과 사이의 차이를 줄이면서 수작업을 탈피하여 시뮬레이션과 연동하여 시운전 결과를 추종하도록 하는 최적의 조종유체력미계수를 도출할 필요가 있다.
또한, 시운전 및 시뮬레이션 모드는 초기선회, 선회, 지그재그 등의 다양한 조종모드가 존재하는데, 각 조종모드별로 취득된 유체력미계수의 값이 상이하여 유체력미계수의 물리적 의미와 부합되지 않고 데이터 관리 측면에서 상당히 불리하여서, 조종모드에 상관없이 복수의 조종모드별 시운전 결과를 동시에 추종할 수 있는 조종유체력미계수를 확보할 필요가 있다.
한국 공개특허공보 제10-2014-0052313호 (조종 성능 평가 장치 및 방법, 2014.05.07) 한국 공개특허공보 제10-2016-0041572호 (기반의 선박조종성능 정보 관리시스템, 2016.04.18) 한국 공개특허공보 제10-2018-0117933호 (대상 선박의 운항정보 분석 장치 및 방법, 2018.10.30)
본 발명의 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는, 시운전 결과에 의한 조종성능정보로부터 조종운동방정식의 조종유체력미계수를 역추정하여 복수의 조종모드별 시운전 결과를 모두 추종하는 최적의 단일 조종유체력미계수를 확보할 수 있는, 복수의 조종모드별 시운전 결과를 이용한 최적의 단일 조종유체력미계수 역추정 시스템을 제공하는 데 있다.
전술한 목적을 달성하고자, 일 실시예에 따른 본 발명은, MIB의 조종성능평가를 위해 선박 선형의 기본제원에 따른 경험식 기반으로 산출된 추정 조종유체력미계수를 입력값으로 하여 조종운동방정식을 통해 복수의 조종모드별 제1조종성능정보를 도출하는, 조종시뮬레이션 모듈; 및 상기 조종시뮬레이션 모듈과 연동하여, 상기 복수의 조종모드별 시운전 결과에 의한 제2조종성능정보와 상기 제1조종성능정보 사이의 상대오차를 정의하는 스크립트에 의해 특정 오차범위를 충족하는 각 조종모드별 상기 추정 조종유체력미계수 세트를 확보하고, 상기 복수의 조종모드별 시운전 결과를 모두 추종하는 최적의 단일 조종유체력미계수를 역추정하는, 최적화 모듈;을 포함하여, 단일 선박 선형에 대응하는 상기 최적의 단일 조종유체력미계수를 확보하는, 복수의 조종모드별 시운전 결과를 이용한 최적의 단일 조종유체력미계수 역추정 시스템을 제공한다.
여기서, 상기 선박의 기본제원에 따른 경험식 기반으로 산출된 추정 조종유체력미계수는 Yv와 Yr과 Nv와 Nr이며, 상기 복수의 조종모드별 시운전 결과는, 미터 단위의 초기선회와 선회, 및 각도 단위의 10/10지그재그와 20/20지그재그의 제2조종성능정보인 것을 특징으로 하는, 복수의 조종모드별 시운전 결과를 이용한 최적의 단일 조종유체력미계수 역추정 시스템.
또한, 상기 최적화 모듈은, 상기 제2조종성능정보를 기준으로 한 상기 제1조종성능정보의 상대적인 오차의 차원을 통일하고 백분율로 변환하여 상기 상대오차를 산출하고, 상기 상대오차가 상기 특정 오차범위를 충족하는 경우의 상기 제1조종성능정보에 해당하는 상기 추정 조종유체력미계수를 상기 최적의 단일 조종유체력미계수로 확보할 수 있다.
또한, 상기 상대오차가 상기 특정 오차범위를 충족하지 않으면, 상기 복수의 조종모드별 제1조종성능정보에 해당하는 조종유체력미계수를 동일 값으로 변경하고, 상기 조종시뮬레이션 모듈에 입력하여 상기 복수의 조종모드별 제1조종성능정보를 도출하는 과정을 반복 수행할 수 있다.
이때, 상기 상대오차가 5% 이하이면, 상기 특정 오차범위를 충족하는 것일 수 있다.
또한, 상기 조종시뮬레이션 모듈에서, 상기 경험식 기반으로 산출된 추정 조종유체력미계수의 입력값을 대체하여, 모형시험 또는 CFD에 의해 취득된 추정 조종유체력미계수를 입력값으로 하여 상기 조종운동방정식을 통해 상기 복수의 조종모드별 제1조종성능정보를 도출할 수 있다.
또한, 상기 최적의 단일 조종유체력미계수, 및 상기 최적 단일의 조종유체력미계수에 상응하는 상기 선박의 기본제원을 저장하는 DB를 더 포함하고, 상기 조종시뮬레이션 모듈은 유사선의 상기 기본제원에 상응하는 상기 최적의 단일 조종유체력미계수를 입력값으로 하여 상기 조종운동방정식을 통해 유사선의 조종성능정보를 도출할 수 있다.
또한, 상기 최적의 단일 조종유체력미계수에 상응하는 상기 제1조종성능정보 및 상기 시운전 결과에 의한 상기 제2조종성능정보로 구성되는 조종성능 평가정보를 작성하는 MIB 작성 모듈을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 조종시뮬레이션 모듈은 선장, 선폭, 선수흘수, 선미흘수 및 방형계수 중 어느 하나 이상을 상기 기본제원으로 입력할 수 있다.
또한, 상기 조종시뮬레이션 모듈은 프로펠러 정보 및 타(rudder) 정보를 상기 기본제원으로 입력할 수 있다.
또한, 상기 최적화 모듈은 상기 추정 조종유체력미계수의 초기값, 및 ±10% 변동범위 내의 변동폭에 상응하는 하한값과 상한값에 의해 상기 변동폭을 지정하고, 상기 추정 조종유체력미계수를 변동시켜 각 Yv와 Yr과 Nv와 Nr의 상기 추정 조종유체력미계수의 변동으로 인해 발생하는 상기 제1조종성능정보와 상기 제2조종성능정보 사이의 모든 상대오차가 5% 이하가 되는 추정 조종유체력미계수를 최적의 단일 조종유체력미계수로 확보할 수 있다.
또한, 상기 조종운동방정식은 다음의 [수학식 1]에 의해 표현되고,
[수학식 1]
Figure 112020140951499-pat00001
여기서, m은 선박의 질량, mx는 x축 방향의 부가질량, u는 서지속도, my는 y축 방향의 부가질량, vm은 횡방향속도, r은 요 각속도, xG는 선박의 무게중심의 종방향 좌표, X는 서지력이며, Y는 횡력이고, IzG는 무게중심 주변의 관성모멘트, Jz는 부가관성모멘트, Nm은 부가질량성분 제외 선체중앙부 주변 요모멘트이고, MMG 수학모형의 X와 Y와 Nm은 다음의 [수학식 2]에 의해 표현되고,
[수학식 2]
Figure 112020140951499-pat00002
여기서, XH는 선체에 작용하는 선체중앙부 주변 서지력, XR은 타에 의한 선체중앙부 주변 서지력, XP는 프로펠러에 의한 선체중앙부 주변 서지력이며, YH는 선체에 작용하는 선체중앙부 주변 횡력, YR은 타에 의한 선체중앙부 주변 횡력이고, NH는 선체에 작용하는 선체중앙부 주변 요모멘트, NR은 타에 의한 선체중앙부 주변 요모멘트이고,
선체에 작용하는 유체력은 다음의 [수학식 3]에 의해 표현되고,
[수학식 3]
Figure 112020140951499-pat00003
상기 XP는 다음의 [수학식 4]에 의해 표현되고,
[수학식 4]
Figure 112020140951499-pat00004
여기서, tP는 추력감소 계수이고, T는 프로펠러 추력이고, 타에 작용하는 유체력은 다음의 [수학식 5]에 의해 표현되고,
[수학식 5]
Figure 112020140951499-pat00005
여기서, tR은 부가저항 계수, FN은 타직압력, δ는 타각도, aH는 타력 증가 계수, xR은 타의 종방향 좌표, xH는 추가 횡력의 작용점의 횡방향 좌표이고, 상기 [수학식 3]에서의 Yv와 Yr과 Nv와 Nr가 상기 조종유체력미계수일 수 있다.
또한, 상기 조종시뮬레이션 모듈은 각 조종성능정보별 시뮬레이션 소스코드로 구현된 조종 시뮬레이션 프로그램을 실행하고, 상기 최적화 모듈은 상기 조종시뮬레이션 프로그램과 연동하여 최적화 프로그램을 실행할 수 있다.
또한, 상기 제1조종성능정보 및 상기 제2조종성능정보는, 초기선회, 선회, 10/10지그재그 및 20/20지그재그에 대한 트래블, 전진거리 또는 전술반경 중 어느 하나 이상의 평가정보를 포함할 수 있다.
한편, 전술한 목적을 달성하고자, 다른 실시예에 따른 본 발명은 MIB의 조종성능평가를 위해 선박 선형의 기본제원에 따른 모형시험 또는 CFD에 의해 취득된 추정 조종유체력미계수를 입력값으로 하여 조종운동방정식을 통해 복수의 조종모드별 제1조종성능정보를 도출하는, 조종시뮬레이션 모듈; 및 상기 조종시뮬레이션 모듈과 연동하여, 상기 복수의 조종모드별 시운전 결과에 의한 제2조종성능정보와 상기 제1조종성능정보 사이의 상대오차를 정의하는 스크립트에 의해 특정 오차범위를 충족하는 각 조종모드별 상기 추정 조종유체력미계수 세트를 확보하고, 상기 복수의 조종모드별 시운전 결과를 모두 추종하는 최적의 단일 조종유체력미계수를 역추정하는, 최적화 모듈;을 포함하여, 단일 선박 선형에 대응하는 상기 최적의 단일 조종유체력미계수를 확보하는, 복수의 조종모드별 시운전 결과를 이용한 최적의 단일 조종유체력미계수 역추정 시스템을 제공한다.
본 발명에 의하면, 시운전 결과에 의한 조종성능정보로부터 조종운동방정식의 조종유체력미계수를 역추정하여 복수의 조종모드별 시운전 결과를 모두 추종하는 최적의 단일 조종유체력미계수를 확보할 수 있고, 선주 요청에 의해 수행되는 MIB 보정작업을 인적자원에 의한 수작업에 의존하지 않고 프로그램에 의해 구현할 수 있고, 최적의 단일 조종유체력미계수를 백데이터로 유사선의 조종성능 추정시 활용하여 시뮬레이션과 시운전의 결과 사이의 괴리를 줄여 조종성능 추정이 정확도를 높일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 복수의 조종모드별 시운전 결과를 이용한 최적의 단일 조종유체력미계수 역추정 시스템의 개략적인 구성도를 도시한 것이다.
도 2는 도 1의 구성도에 의한 복수의 조종모드별 시운전 결과를 이용한 최적의 단일 조종유체력미계수 역추정 흐름도를 도시한 것이다.
도 3은 도 1의 조종 시뮬레이션 프로그램을 예시한 것이다.
도 4는 도 1의 최적화 프로그램을 예시한 것이다.
도 5는 도 1의 경험식에 의한 추정 조종유체력미계수 및 복수의 조종모드별 시운전 결과에 의한 제2조종성능정보를 각각 예시한 것이다.
도 6 및 도 7은 도 1의 시스템에 의한 복수의 조종모드별 시운전 결과와 최적의 단일 조종유체력미계수에 상응하는 조종성능정보를 비교예시한 것이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명의 실시예에 의한, 복수의 조종모드별 시운전 결과를 이용한 최적의 단일 조종유체력미계수 역추정 시스템은, MIB의 조종성능평가를 위해 선박 선형의 기본제원에 따른 경험식 기반으로 산출된 추정 조종유체력미계수를 입력값으로 하여 조종운동방정식을 통해 복수의 조종모드별 제1조종성능정보를 도출하는, 조종시뮬레이션 모듈(110), 및 조종시뮬레이션 모듈(110)과 연동하여, 복수의 조종모드별 시운전 결과에 의한 제2조종성능정보와 제1조종성능정보 사이의 상대오차를 정의하는 스크립트에 의해 특정 오차범위를 충족하는 각 조종모드별 추정 조종유체력미계수 세트를 확보하고, 복수의 조종모드별 시운전 결과를 모두 추종하는 최적의 단일 조종유체력미계수를 역추정하는, 최적화 모듈(120)을 포함하여, 단일 선박 선형에 대응하는 최적의 단일 조종유체력미계수를 확보하는 것을 요지로 한다.
도 1 내지 도 7을 참조하여, 전술한 구성의 복수의 조종모드별 시운전 결과를 이용한 최적의 단일 조종유체력미계수 역추정 시스템을 구체적으로 상술하면 다음과 같다.
우선, 조종시뮬레이션 모듈(110)은 MIB에 명시할 선박의 조종성능평가를 위해 조종시뮬레이션에 의해 조종성능정보를 도출하는데, 즉, MIB의 조종성능평가를 위해 선박 선형의 기본제원에 따른 경험식 기반으로 Yv와 Yr과 Nv와 Nr의 추정 조종유체력미계수 세트를 산출하고, 산출된 추정 조종유체력미계수를 입력값으로 이용하여 조종운동방정식을 풀어서 조종시뮬레이션에 의한 복수의 조종모드별 제1조종성능정보를 도출한다.
참고로, 조종유체력미계수(hydrodynamic derivative)는 선박의 형상과 관련된 계수로서, 선체(hull)에 작용하는 유체력(hydrodynamic force)으로서 선박의 형상에 따른 조종성능정보를 나타내는 계수이며, 조종시뮬레이션의 조종운동방정식에 의해 조종성능정보를 추정하며, 이의 추정에서 조종운동방정식의 계수인 추정 조종유체력미계수의 정확성이 중요한 요소이고, 조종성능정보는 미터 단위의 초기선회(또는 최초선회)(initial turning)와 선회(예들 들면 35도 선회, 35°turning), 및 각도 단위의 10/10지그재그(10/10 Zigzag)와 20/20지그재그(10/10 Zigzag)에 대한 평가정보를 포함할 수 있다.
여기서, 도 3의 (b)에 예시된 바와 같이, 조종시뮬레이션의 주함수(main function)에 초기선회와 선회, 및 10/10지그재그와 20/20지그재그 정보를 입력하고, 도 3의 (c)에 예시된 바와 같이 조종시뮬레이션의 결과인 전진거리(Advance), 전술반경(Tactical diameter), 시계열데이터 등을 출력한다.
예컨대, 도 2 및 도 3의(a)에 도시된 바와 같이, 조종시뮬레이션 모듈(110)은, 우선, 선박의 선장, 선폭, 선수흘수, 선미흘수 또는 방형계수(CB;Block Coefficient)를 기본제원으로 입력하며(S111), 이후, 기존 공지된 선박의 기본제원에 따른 조종유체력미계수를 조종운동방정식의 계수로 입력하는데(S112), 여기서 조종유체력미계수의 초기값은 경험식으로 산출되어 설정된 추정 조종유체력미계수이고, 이후, 조종운동방정식을 풀어서 조종시뮬레이션에 의한 추정 조종유체력미계수가 적용된 제1조종성능정보를 도출한다(S113).
여기서, 필요에 따라, 조종시뮬레이션 모듈(110)은 프로펠러 정보 및 타(rudder, 러더) 정보를 기본제원으로 입력할 수도 있다.
한편, 조종유체력미계수 세트는 Yv와 Yr과 Nv와 Nr의 4개 값으로 구성되고, 경험식은 다음의 [수학식 1] 내지 [수학식 5]로 구성되는데, 즉, [수학식 2]는 후술하는 [수학식 1]의 조종운동방정식의 우변을 정의하는 서지력(surge force)(X)과 횡력(lateral force)(Y)과 요모멘트(yaw moment)(Nm)의 유체력을 구하는 MMG(Maneuvering Modeling Group) 수학모형을 표현하고, MMG 수학모형의 인자를 구성하는 선체(hull)와 프로펠러(propeller)와 타(rudder)에 작용하는 유체력은 [수학식 3] 내지 [수학식 5]에 의해 각각 표현되고, [수학식 3]의 Yv와 Yr과 Nv와 Nr가 앞서 언급한 조종유체력미계수 세트이다.
구체적으로, [수학식 1] 내지 [수학식 5]를 각각 상술하면 다음과 같다.
조종운동방정식은 다음의 [수학식 1]에 의해 표현되고,
Figure 112020140951499-pat00006
여기서, m은 선박의 질량, mx는 x축 방향의 부가질량(added mass components), u는 서지속도, my는 y축 방향의 부가질량, vm은 횡방향속도, r은 요 각속도, xG는 선박의 무게중심의 종방향 좌표, X는 서지력이며, Y는 횡력이고, IzG는 무게중심 주변의 관성모멘트(moment of inertia), Jz는 부가관성모멘트, Nm은 부가질량성분 제외 선체중앙부 주변 요모멘트이다.
MMG 수학모형의 X와 Y와 Nm은 다음의 [수학식 2]에 의해 표현되고,
Figure 112020140951499-pat00007
여기서, XH는 선체에 작용하는 선체중앙부 주변 서지력, XR은 타에 의한 선체중앙부 주변 서지력, XP는 프로펠러에 의한 선체중앙부 주변 서지력이며, YH는 선체에 작용하는 선체중앙부 주변 횡력, YR은 타에 의한 선체중앙부 주변 횡력이고, NH는 선체에 작용하는 선체중앙부 주변 요모멘트, NR은 타에 의한 선체중앙부 주변 요모멘트이다.
선체에 작용하는 유체력은 다음의 [수학식 3]에 의해 표현되고,
Figure 112020140951499-pat00008
여기서,
Figure 112020140951499-pat00009
는 조종유체력미계수이다.
XP는 다음의 [수학식 4]에 의해 표현되고,
Figure 112020140951499-pat00010
여기서, tP는 추력감소 계수이고, T는 프로펠러 추력이다.
타에 작용하는 유체력은 다음의 [수학식 5]에 의해 표현되고,
Figure 112020140951499-pat00011
여기서, tR은 부가저항 계수, FN은 타직압력, δ는 타각도, aH는 타력 증가 계수, xR은 타의 종방향 좌표, xH는 추가 횡력의 작용점의 횡방향 좌표이다.
한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 조종시뮬레이션 모듈(110)에서, 경험식 기반으로 산출된 추정 조종유체력미계수의 입력값을 대체하여, 모형시험 또는 CFD(Computational Fluid Dynamics; 전산유체역학)에 의해 취득된 추정 조종유체력미계수를 입력값으로 하여(S114), 조종운동방정식을 통해 복수의 조종모드별 제1조종성능정보를 도출할 수도 있다(S113).
다음, 최적화 모듈(120)은, 조종시뮬레이션 모듈(110)과 연동하여, 실제 해상에서의 복수의 조종모드별 시운전 결과에 의한 제2조종성능정보와, 조종시뮬레이션 모듈(110)에 의해 도출된 제1조종성능정보 사이의 상대오차를 정의하는 스크립트에 의해 특정 오차범위를 충족하는 각 조종모드별 추정 조종유체력미계수 세트를 확보하고, 복수의 조종모드별 시운전 결과를 모두 추종하는 Yv와 Yr과 Nv와 Nr의 최적의 단일 조종유체력미계수 세트를 역추정한다.
여기서, 제1조종성능정보 및 제2조종성능정보는, 초기선회, 선회, 10/10지그재그 및 20/20지그재그에 대한 트래블(Travelled), 전진거리(Advance) 또는 전술반경(Tactical) 중 어느 하나 이상의 평가정보를 포함할 수 있다.
즉, 도 5의 (b)를 참조하면, 최적화 모듈(120)은, 잔잔한 해상에서 실제 수행된 복수의 조종모드별 시운전 결과에 의한 초기선회와 선회, 및 10/10지그재그와 20/20지그재그의 제2조종성능정보인 트래블, 전진거리 또는 전술반경(A)을 동시에 목표값(B)으로 하여 모두 추종하는 조종유체력미계수 세트를 역추정하도록, 조종시뮬레이션 모듈(110)에 의해 도출된 제1조종성능정보와의 상대오차가 5% 이하인 제1조종성능정보에 해당하는 추정 조종유체력미계수를 최적의 단일 조종유체력미계수로 확보할 수 있다.
여기서, 도 5의 (a)를 참조하면, 조종시뮬레이션 모듈(110)에 의해 도출된 초기선회와 선회, 및 10/10지그재그와 20/20지그재그의 제1조종성능정보에 해당하는 Yv와 Yr과 Nv와 Nr의 추정 조종유체력미계수 세트가 각 조종모드별로 상이함을 알 수 있다.
하지만, 원론적으로 선박 선형 정보가 동일하다면 조종유체력미계수도 동일하여야 하므로 조종모드에 상관없이 일관된 조종유체력미계수를 추종하여야 한다.
한편, 복수의 조종모드별 시운전 결과는, 제2조종성능정보에서, 초기선회와 선회는 미터 단위이고, 10/10지그재그와 20/20지그재그는 각도 단위이므로, 상대오차를 정의하는 내부코드인 스크립트의 작성에 의해 단위를 일치시킨다.
예컨대, 도 4를 참조하면, 시운전 결과에 의한 트래블이 2.183, 전진거리가 3.124, 전술반경이 2.918이고(도 5의 (b)의 B 참조), 시뮬레이션에 의한 트래블이 1.9724이며, 전진거리가 3.1715이고, 전술반경이 3.2494이면(A), 상대오차는 abs(2.183 - 1.9724) / 2.183 * 100 = 9.64727439%, abs(3.124 - 3.1715) / 3.124 * 100 = 1.52048656%, abs(2.918 - 3.2494) / 2.918 * 100 = 11.3570939%로 각각 산출된다(C).
이와 같이, 최적화 모듈(120)은, 제2조종성능정보를 기준으로 한 제1조종성능정보의 상대적인 오차의 차원을 통일하고 백분율로 변환하여 상대오차를 산출하고(S121), 비교하여(S122), 상대오차가 5% 이하인 제1조종성능정보인 전진거리에 해당하는 추정 조종유체력미계수를 최적의 단일 조종유체력미계수로 확보할 수 있다(S123).
한편, 상대오차가 5% 초과하면, 복수의 조종모드별 제1조종성능정보에 해당하는, 복수의 조종모드별 추정 조종유체력미계수를 동일(같은) 값으로 변경하고(S124), 조종시뮬레이션 모듈(110)에 입력하여 복수의 조종모드별 제1조종성능정보를 도출하는 과정을 반복 수행할 수 있다(S113).
여기서, 도 5의 (b)의 (C)를 참조하면, 최적화 모듈(120)은 추정 조종유체력미계수의 초기값(Initial), 및 ±10% 변동범위 내의 변동폭에 상응하는 하한값(Lower)과 상한값(Upper)에 의해 변동폭을 지정하여, 추정 조종유체력미계수를 변동시켜 각 Yv와 Yr과 Nv와 Nr의 추정 조종유체력미계수의 변동으로 인해 발생하는 제1조종성능정보와 제2조종성능정보 사이의 모든 상대오차가 5% 이하가 되는 추정 조종유체력미계수를 최적의 단일 조종유체력미계수로 확보할 수 있다.
한편, MIB 작성 모듈(130)은 앞서 역추정하여 확보된 최적의 단일 조종유체력미계수에 상응하는 제1조종성능정보 및 시운전 결과에 의한 제2조종성능정보로 구성되는 조종성능 평가정보를 작성하여서, 선주의 MIB 보정 요청시에, 시운전 상태가 고려된 조종유체력미계수 및 조종성능 평가정보를 포함하는 MIB 보고서를 인력의 투입없이 작성하여 선주에게 제공하도록 한다(S125).
또한, DB(140)는 최적의 단일 조종유체력미계수, 및 최적 단일의 조종유체력미계수에 상응하는 선박의 기본제원을 저장하고(S126), 추후 조종시뮬레이션 모듈(110)은 유사선의 기본제원에 상응하는 최적의 단일 조종유체력미계수를 입력값으로 하여 조종운동방정식을 통해 유사선의 조종성능정보를 도출하도록 하여서(S130), 백데이터로 유사선의 조종성능 추정시 활용하여 시뮬레이션과 시운전의 결과 사이의 괴리를 줄이도록 할 수 있다.
또한, 조종시뮬레이션 모듈(110)은 각 조종성능정보별 시뮬레이션 소스코드로 구현된 조종 시뮬레이션 프로그램을 실행하고, 최적화 모듈(120)은 조종 시뮬레이션 프로그램과 연동하여 최적화 프로그램을 실행할 수 있다.
도 6 및 도 7은 도 1의 시스템에 의한 복수의 조종모드별 시운전 결과와 최적의 단일 조종유체력미계수에 상응하는 조종성능정보를 비교예시한 것으로서, 이를 참조하면, 도 6의 (a)는 초기선회의 시운전 결과(검은 실선)와 시뮬레이션에 의한 결과(적색 점선)와 본 실시예에 의한 단일 유체력미계수 역추정시스템에 의한 결과(적색 실선)를 각각 도시한 것으로서, 본 실시예에 의한 단일 유체력미계수 역추정시스템에 의한 결과(적색 실선)가 초기선회의 시운전 결과(검은 실선)에 가장 근접함을 알 수 있으며, 도 6의 (b)는 선회의 시운전 결과(검은 실선)와 시뮬레이션에 의한 결과(적색 점선)와 본 실시예에 의한 단일 유체력미계수 역추정시스템에 의한 결과(적색 실선)를 각각 도시한 것으로서, 본 실시예에 의한 단일 유체력미계수 역추정시스템에 의한 결과(적색 실선)가 선회의 시운전 결과(검은 실선)에 가장 근접함을 알 수 있으며, 도 7의 (a)는 10/10지그재그의 시운전 결과(검은 실선)와 시뮬레이션에 의한 결과(적색 점선)와 본 실시예에 의한 단일 유체력미계수 역추정시스템에 의한 결과(적색 실선)를 각각 도시한 것으로서, 본 실시예에 의한 단일 유체력미계수 역추정시스템에 의한 결과(적색 실선)가 10/10지그재그의 시운전 결과(검은 실선)에 가장 근접함을 알 수 있고, 도 7의 (b)는 20/20지그재그의 시운전 결과(검은 실선)와 시뮬레이션에 의한 결과(적색 점선)와 본 실시예에 의한 단일 유체력미계수 역추정시스템에 의한 결과(적색 실선)를 각각 도시한 것으로서, 본 실시예에 의한 단일 유체력미계수 역추정시스템에 의한 결과(적색 실선)가 20/20지그재그의 시운전 결과(검은 실선)에 가장 근접함을 알 수 있다.
따라서, 전술한 바와 같은 복수의 조종모드별 시운전 결과를 이용한 최적의 단일 조종유체력미계수 역추정 시스템은, 시운전 결과에 의한 조종성능정보로부터 조종운동방정식의 조종유체력미계수를 역추정하여 복수의 조종모드별 시운전 결과를 모두 추종하는 최적의 단일 조종유체력미계수를 확보할 수 있고, 선주 요청에 의해 수행되는 MIB 보정작업을 인적자원에 의한 수작업에 의존하지 않고 프로그램에 의해 구현할 수 있고, 최적의 단일 조종유체력미계수를 백데이터로 유사선의 조종성능 추정시 활용하여 시뮬레이션과 시운전의 결과 사이의 괴리를 줄여 조종성능 추정이 정확도를 높일 수 있다.
이상, 본 발명을 도면에 도시된 실시예를 참조하여 설명하였다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명과 균등한 범위에 속하는 다양한 변형예 또는 다른 실시예가 가능하다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호범위는 이어지는 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
110 : 조종시뮬레이션 모듈 120 : 최적화 모듈
130 : MIB 작성 모듈 140 : DB

Claims (15)

  1. MIB의 조종성능평가를 위해 선박 선형의 기본제원에 따른 경험식 기반으로 산출된 추정 조종유체력미계수를 입력값으로 하여 조종운동방정식을 통해 복수의 조종모드별 제1조종성능정보를 도출하는, 조종시뮬레이션 모듈; 및
    상기 조종시뮬레이션 모듈과 연동하여, 상기 복수의 조종모드별 시운전 결과에 의한 제2조종성능정보와 상기 제1조종성능정보 사이의 상대오차를 정의하는 스크립트에 의해 특정 오차범위를 충족하는 각 조종모드별 상기 추정 조종유체력미계수 세트를 확보하고, 상기 복수의 조종모드별 시운전 결과를 모두 추종하는 최적의 단일 조종유체력미계수를 역추정하는, 최적화 모듈;을 포함하여, 단일 선박 선형에 대응하는 상기 최적의 단일 조종유체력미계수를 확보하는,
    복수의 조종모드별 시운전 결과를 이용한 최적의 단일 조종유체력미계수 역추정 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 선박의 기본제원에 따른 경험식 기반으로 산출된 추정 조종유체력미계수는 Yv와 Yr과 Nv와 Nr이며,
    상기 복수의 조종모드별 시운전 결과는, 미터 단위의 초기선회와 선회, 및 각도 단위의 10/10지그재그와 20/20지그재그의 제2조종성능정보인 것을 특징으로 하는, 복수의 조종모드별 시운전 결과를 이용한 최적의 단일 조종유체력미계수 역추정 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 최적화 모듈은,
    상기 제2조종성능정보를 기준으로 한 상기 제1조종성능정보의 상대적인 오차의 차원을 통일하고 백분율로 변환하여 상기 상대오차를 산출하고,
    상기 상대오차가 상기 특정 오차범위를 충족하는 경우의 상기 제1조종성능정보에 해당하는 상기 추정 조종유체력미계수를 상기 최적의 단일 조종유체력미계수로 확보하는 것을 특징으로 하는, 복수의 조종모드별 시운전 결과를 이용한 최적의 단일 조종유체력미계수 역추정 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 상대오차가 상기 특정 오차범위를 충족하지 않으면, 상기 복수의 조종모드별 제1조종성능정보에 해당하는 조종유체력미계수를 동일 값으로 변경하고, 상기 조종시뮬레이션 모듈에 입력하여 상기 복수의 조종모드별 제1조종성능정보를 도출하는 과정을 반복 수행하는 것을 특징으로 하는, 복수의 조종모드별 시운전 결과를 이용한 최적의 단일 조종유체력미계수 역추정 시스템.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 상대오차가 5% 이하이면, 상기 특정 오차범위를 충족하는 것을 특징으로 하는, 복수의 조종모드별 시운전 결과를 이용한 최적의 단일 조종유체력미계수 역추정 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 조종시뮬레이션 모듈에서, 상기 경험식 기반으로 산출된 추정 조종유체력미계수의 입력값을 대체하여, 모형시험 또는 CFD에 의해 취득된 추정 조종유체력미계수를 입력값으로 하여 상기 조종운동방정식을 통해 상기 복수의 조종모드별 제1조종성능정보를 도출하는 것을 특징으로 하는, 복수의 조종모드별 시운전 결과를 이용한 최적의 단일 조종유체력미계수 역추정 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 최적의 단일 조종유체력미계수, 및 상기 최적 단일의 조종유체력미계수에 상응하는 상기 선박의 기본제원을 저장하는 DB를 더 포함하고,
    상기 조종시뮬레이션 모듈은 유사선의 상기 기본제원에 상응하는 상기 최적의 단일 조종유체력미계수를 입력값으로 하여 상기 조종운동방정식을 통해 유사선의 조종성능정보를 도출하는 것을 특징으로 하는, 복수의 조종모드별 시운전 결과를 이용한 최적의 단일 조종유체력미계수 역추정 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 최적의 단일 조종유체력미계수에 상응하는 상기 제1조종성능정보 및 상기 시운전 결과에 의한 상기 제2조종성능정보로 구성되는 조종성능 평가정보를 작성하는 MIB 작성 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 복수의 조종모드별 시운전 결과를 이용한 최적의 단일 조종유체력미계수 역추정 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 조종시뮬레이션 모듈은 선장, 선폭, 선수흘수, 선미흘수 및 방형계수 중 어느 하나 이상을 상기 기본제원으로 입력하는 것을 특징으로 하는, 복수의 조종모드별 시운전 결과를 이용한 최적의 단일 조종유체력미계수 역추정 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 조종시뮬레이션 모듈은 프로펠러 정보 및 타(rudder) 정보를 상기 기본제원으로 입력하는 것을 특징으로 하는, 복수의 조종모드별 시운전 결과를 이용한 최적의 단일 조종유체력미계수 역추정 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 최적화 모듈은 상기 추정 조종유체력미계수의 초기값, 및 ±10% 변동범위 내의 변동폭에 상응하는 하한값과 상한값에 의해 상기 변동폭을 지정하고, 상기 추정 조종유체력미계수를 변동시켜 각 Yv와 Yr과 Nv와 Nr의 상기 추정 조종유체력미계수의 변동으로 인해 발생하는 상기 제1조종성능정보와 상기 제2조종성능정보 사이의 모든 상대오차가 5% 이하가 되는 추정 조종유체력미계수를 최적의 단일 조종유체력미계수로 확보하는 것을 특징으로 하는, 복수의 조종모드별 시운전 결과를 이용한 최적의 단일 조종유체력미계수 역추정 시스템.
  12. 제 2 항에 있어서,
    상기 조종운동방정식은 다음의 [수학식 1]에 의해 표현되고,
    [수학식 1]
    Figure 112020140951499-pat00012

    여기서, m은 선박의 질량, mx는 x축 방향의 부가질량, u는 서지속도, my는 y축 방향의 부가질량, vm은 횡방향속도, r은 요 각속도, xG는 선박의 무게중심의 종방향 좌표, X는 서지력이며, Y는 횡력이고, IzG는 무게중심 주변의 관성모멘트, Jz는 부가관성모멘트, Nm은 부가질량성분 제외 선체중앙부 주변 요모멘트이고, MMG 수학모형의 X와 Y와 Nm은 다음의 [수학식 2]에 의해 표현되고,
    [수학식 2]
    Figure 112020140951499-pat00013

    여기서, XH는 선체에 작용하는 선체중앙부 주변 서지력, XR은 타에 의한 선체중앙부 주변 서지력, XP는 프로펠러에 의한 선체중앙부 주변 서지력이며, YH는 선체에 작용하는 선체중앙부 주변 횡력, YR은 타에 의한 선체중앙부 주변 횡력이고, NH는 선체에 작용하는 선체중앙부 주변 요모멘트, NR은 타에 의한 선체중앙부 주변 요모멘트이고,
    선체에 작용하는 유체력은 다음의 [수학식 3]에 의해 표현되고,
    [수학식 3]
    Figure 112020140951499-pat00014

    상기 XP는 다음의 [수학식 4]에 의해 표현되고,
    [수학식 4]
    Figure 112020140951499-pat00015

    여기서, tP는 추력감소 계수이고, T는 프로펠러 추력이고, 타에 작용하는 유체력은 다음의 [수학식 5]에 의해 표현되고,
    [수학식 5]
    Figure 112020140951499-pat00016

    여기서, tR은 부가저항 계수, FN은 타직압력, δ는 타각도, aH는 타력 증가 계수, xR은 타의 종방향 좌표, xH는 추가 횡력의 작용점의 횡방향 좌표이고, 상기 [수학식 3]에서의 Yv와 Yr과 Nv와 Nr가 상기 조종유체력미계수인 것을 특징으로 하는, 복수의 조종모드별 시운전 결과를 이용한 최적의 단일 조종유체력미계수 역추정 시스템.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 조종시뮬레이션 모듈은 각 조종성능정보별 시뮬레이션 소스코드로 구현된 조종 시뮬레이션 프로그램을 실행하고, 상기 최적화 모듈은 상기 조종시뮬레이션 프로그램과 연동하여 최적화 프로그램을 실행하는 것을 특징으로 하는, 복수의 조종모드별 시운전 결과를 이용한 최적의 단일 조종유체력미계수 역추정 시스템.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1조종성능정보 및 상기 제2조종성능정보는, 초기선회, 선회, 10/10지그재그 및 20/20지그재그에 대한 트래블, 전진거리 또는 전술반경 중 어느 하나 이상의 평가정보를 포함하는 것을 특징으로 하는, 복수의 조종모드별 시운전 결과를 이용한 최적의 단일 조종유체력미계수 역추정 시스템.
  15. MIB의 조종성능평가를 위해 선박 선형의 기본제원에 따른 모형시험 또는 CFD에 의해 취득된 추정 조종유체력미계수를 입력값으로 하여 조종운동방정식을 통해 복수의 조종모드별 제1조종성능정보를 도출하는, 조종시뮬레이션 모듈; 및
    상기 조종시뮬레이션 모듈과 연동하여, 상기 복수의 조종모드별 시운전 결과에 의한 제2조종성능정보와 상기 제1조종성능정보 사이의 상대오차를 정의하는 스크립트에 의해 특정 오차범위를 충족하는 각 조종모드별 상기 추정 조종유체력미계수 세트를 확보하고, 상기 복수의 조종모드별 시운전 결과를 모두 추종하는 최적의 단일 조종유체력미계수를 역추정하는, 최적화 모듈;을 포함하여, 단일 선박 선형에 대응하는 상기 최적의 단일 조종유체력미계수를 확보하는,
    복수의 조종모드별 시운전 결과를 이용한 최적의 단일 조종유체력미계수 역추정 시스템.
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